Sources laser - Principes, propriétés et applications

L’invention du laser à rubis en 1960 par T. Maiman est l’aboutissement de travaux fondamentaux sur l’interaction entre la lumière et la matière entrepris dès le début du XX ^e  siècle. Les lasers sont devenus, en soixante ans, un objet familier présent dans un nombre toujours croissant d’applications, tout en conservant malgré tout son caractère fascinant. La représentation courante d’un laser, popularisée en particulier par le cinéma, est celle d’un rayon de lumière colorée, qui illustre deux propriétés fondamentales des lasers : la nature spécifique du spectre – le contenu fréquentiel –, et la directivité du rayonnement. Par sa nature, un rayonnement laser est donc très différent des sources lumineuses habituelles (ampoule à incandescence, diode électroluminescente), dont le spectre est généralement large et la directivité faible. Il existe des lasers de toutes tailles, depuis des nanostructures de quelques dizaines de nanomètres, jusqu’aux systèmes laser de fusion contrôlée, qui occupent des bâtiments de plusieurs centaines de mètres. Les types de rayonnement émis sont également très divers, à la fois au niveau des longueurs d’onde (depuis les rayons X et l’UV lointain des lasers excimères, jusqu’à l’infrarouge des lasers CO ₂ ), et de la structure temporelle du rayonnement laser (des lasers continus jusqu'aux sources d'impulsions ultra-courtes : femtoseconde (10 ⁻¹⁵  s), voire attoseconde (10 ⁻¹⁸  s)). Enfin, les puissances lumineuses instantanées émises varient sur une très large plage, du nanowatt (10 ⁻⁹  W) jusqu’à l’exawatt (10 ¹⁸  W). Par ailleurs, dans un contexte technique et industriel en pleine évolution, les domaines d’application des lasers se sont très largement diversifiés, allant de l’usinage aux télécommunications, en passant par la chirurgie et les grands enjeux énergétiques actuels. Afin de proposer une vision globale des sources lasers, la première partie de cet article rappelle les principes communs des lasers : les mécanismes d’amplification lumineuse, l’effet de la cavité, puis la mise en forme spatiale et temporelle du rayonnement laser. La seconde partie s’applique à dresser un panorama général des sources laser, en fonction de leur domaine d’application.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.